I seguenti appunti sono stati presi nell’anno accademico 2022-2023 durante il corso di Tecnologie e Servizi di Rete.
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In questo capitolo viene fatto un ripasso generico su quanto visto nei corsi precedenti, con particolare riferimento a Reti Informatiche (o equivalenti).
In ogni sottorete tutti i dispositivi che ne fanno parte avranno lo stesso indirizzo ip.
127.x.x.x: indirizzo di loopback, è una classe di
indirizzi e servono a identificare l’host stesso e per tale motivo
vengono solitamente utilizzate a scopo di debug.Spesso oggi giorno non è consentito l’invio di messaggi in broadcast per motivi di sicurezza.
Le rappresentazioni possono essere classes (a classe) o classness (senza l’utilizzo di classi). In particolare esistono di tre tipologie:
Basta guardare il primo bit per capire se era una classe A, B, C o D.
Nota:I bit di riconoscimento servono per sapere quali bit individuano la rete e quali gli host.
Il sistema Classless
InterDomain
Routing permette di indirizzare la porzione più
precisa di indirizzi tra rete e e dispositivi. La porzione di rete è
dunque di lunghezza arbitraria. Il formato con cui può essere
rappresentato un indirizzo è il seguente:
networkID + prefix length oppure netmask.
Il prefix length, specificato con /x, è il numero di bit
di network.
La netmask è identificata da una serie di bit posti a 1
che determinano quali bit identificano la rete, attraverso un and bit a
bit.
Esempio:
200.23.16.0/23 # prefix length
200.23.16.0 255.255.255.254.0 # netmask
L’indirizzo viene espresso attraverso gruppi di 8 bit, rappresentanti in modo decimale puntato (4 gruppi in quanto 32 bit totali). Ogni raggruppamento avrà un valore da 0 a 255.
Non tutti i valori sono permessi possibili, il più piccolo è 252. Questo è dovuto al fatto che abbiamo l’indirizzo dell’intera sottorete e l’indirizzo del inter broadcast che non possono essere utilizzati nell’assegnazione.
Un modo per sapere se un indirizzo è scritto in modo corretto è
prendere il prefix length /x e controllare che ci l’ultimo
numero puntato sia multiplo di 2^(32-x).
Esempi:
130.192.1.4/30 => 4%2^(32-30) = 4%4 = 0 si!
130.192.1.16/30 => 16%2^(32-30) = 16%4 = 0 si!
130.192.1.16/29 => 16%2^(32-29) = 16%8 = 0 si!
130.192.1.1/30 => 1%2^(32-30) = 1%4 != 0 no!
130.192.1.1/29 => 1%2^(32-29) = 1%8 != 0 no!
130.192.1.1/28 => 1%2^(32-28) = 1%16 != 0 no!
Per il ragionamento di sopra appare evidente che un indirizzo che
termina con .1 non sarà mai un indirizzo corretto, in
quanto ritornerà sempre un resto.
Il routing degli host avviene attraverso la routing table, caratterizzata da due colonne che identificano:
Quando viene inviato un pacchetto, si cerca un match all’interno della tabella per identificare dove inviare un pacchetto IP. Se è presente più di un match, viene considerato quello con il prefisso più lungo.
nota: i router sono identificati solitamente con un cerchio con dentro una x.
Di seguito è mostrato un esempio di routing:
Sono presenti in totale 7 sottoreti, di cui 3 reti locali e 4 reti punto punto. Tutta la sottorete ha come indirizzo quello raffigurato in alto a sinistra. Gli indirizzi di ciascuna di queste sono come segue:
Scriviamo la routing table del router identificando le reti direttamente connesse e raggiungibili. Prendiamo come riferimento R1:
| Destination | Next | Type |
|---|---|---|
| 130.192.3.0/30 | 130.192.3.1 | direct |
| 130.192.3.4/30 | 130.192.3.5 | direct |
| 130.192.2.0/24 | 130.192.2.1 | direct |
| 80.105.10.0/30 | 80.105.10.1 | direct |
| 80.105.10.0/30 | 80.105.10.1 | direct |
| 130.192.0.0/24 | 130.192.3.2 | static |
| 130.192.3.8/30 | 130.192.3.2 | static |
| 130.192.1.6/24 | 130.192.3.2 | static |
La metodologia da adoperare è la seguente:
/30 perché ne sono
richiesti 4 (\(2^2\)), /26
a sinistra (\(2^6\)) e /25
in basso a destra (\(2^7\))./26, /25 e /30 dunque mi
basterebbe o tutti e 3, o due /25 o infine un solo
/24Nota: in basso a sinistra sono richiesti 43 indirizzi per 40 dispositivi. Ciò è dovuto al fatto che oltre ai 40 richiesti serve l’indirizzo di rete, l’indirizzo di broadcast e l’indirizzo del router.
Per riuscire a trovare le sottoreti, si prosegue in ordine dal maggiore (decimale minore):
# tutta la rete
10.0.0.0/24
# subnet2 (/25), 32-25 = 7 => 2^7 = 128 indirizzi
# range: 0-127
10.0.0.0/25
10.0.0.127 <- ultimo
# subnet3 (/26), 32-26 = 6 => 2^6 = 64 indirizzi
# range: 128-191
10.0.0.128/26
10.0.0.191 <- ultimo
#subnet4 (/30), punto punto
10.0.0.192/30
| Numero di hosts | NetMask | Prefix Length | Available Addresses |
|---|---|---|---|
| 2 | 255.255.255.252 |
(32-2) -> /30 |
\(2^2 - 2 = 2\) |
| 27 | 255.255.255.224 |
(32-5) -> /27 |
\(2^5 - 2 = 30\) |
| 5 | 255.255.255.248 |
(32-3) -> /29 |
\(2^3 - 2 = 6\) |
| 100 | 255.255.255.128 |
(32-7) -> /25 |
\(2^7 - 2 = 126\) |
| 10 | 255.255.255.240 |
(32-4) -> /28 |
\(2^4 - 2 = 14\) |
| 300 | 255.255.254.000 |
(32-9) -> /23 |
\(2^9 - 2 = 510\) |
| 1010 | 255.255.252.000 |
(32-10) -> /22 |
\(2^10 - 2 = 1022\) |
| 55 | 255.255.255.192 |
(32-6) -> /26 |
\(2^6 - 2 = 62\) |
| 167 | 255.255.255.000 |
(32-8) -> /24 |
\(2^8 - 2 = 254\) |
| 1540 | 255.255.248.000 |
(32-11) -> /21 |
\(2^11 - 2 = 2046\) |
Nota: per calcolare la netmask, si esegue \(256 - 2^bit\)
Verifica se i seguenti indirizzi sono validi o meno.
| IP / Prefix Length pair | Valido? |
|---|---|
192.168.5.0/24 |
Si, gli ultimi 8bit sono a 0 |
192.168.4.23/23 |
No |
192.168.2.36/30 |
Si, \(36 \bmod 2^(32-30) = 0\) |
192.168.2.36/29 |
No, \(36 \bmod 2^(32-29) != 0\) |
192.168.2.32/28 |
Si, \(32 \bmod 2^(32-28) = 0\) |
192.168.2.32/27 |
Si, \(32 \bmod 2^(32-27) = 0\) |
192.168.3.0/23 |
No, \(3 \bmod 2^(1) != 0\) |
192.168.2.0/31 |
No, /31 non ha senso |
192.168.2.0/23 |
Si, \(2\bmod2^(1) != 0\) |
192.168.16.0/21 |
Si, \(16\bmod2^3 = 0\) |
192.168.12.0/21 |
No, \(12\bmod2^3 = 0\) |
Trova l’errore di configurazione nella rete indicata di seguito e spiega il motivo per cui questa non funziona come dovrebbe.
Definisci un piano di indirizzamento IP per la rete in figura. Considera entrambi i tipi di indirizzamento: “tradizionale” (senza minimizzare) e una soluzione che minimizzi il numero di indirizzi IP utilizzati. Assumi di utilizzare il range 10.0.0.0/16.
Partiamo evidenziando come il router a sinistra, al fine di servire
350 host, ha in realtà bisogno di 353 indirizzi: 350 host + 1 indirizzo
di rete + 1 indirizzo di broadcast + 1 indirizzo del router, dunque
/23. Stesso ragionamento è applicabile al router di destra,
che ha bisogno di 123 indirizzi /25.
Troviamo così che 10.0.0.0/23 è la rete A (sinistra). Il
suo indirizzo di broadcast sarà 10.0.1.255 in quanto
adoperiamo 9 bit (quindi gli ultimi 8 bit a 1 e il primo bit del terzo
gruppo a 1).
La sottorete C (destra) sarà identificata da 10.0.2.0/25
in quanto l’indirizzo immediatamente successivo. Il suo indirizzo di
broadcast sarà 10.0.2.127.
La sottorete B (centrale) sarà identificata da
10.0.2.128/30, con /30 proveniente dal fatto
che è una sottorete punto punto.
Questa soluzione comporta un grosso spreco, in quanto c’è un
/25 che non viene utilizzato.
Definisci un albero di routing per tutti i nodi della rete mostrata di seguito.
L’albero di instradamento è quello che, a partire da un router della rete, stabilisce i percorsi minimi per raggiungere tutti i nodi. Per calcolare l’albero di instradamento si prende un router come riferimento, ad esempio A.
| dest | next |
|---|---|
| B | 3 (ramo dx) |
| C | 2 (ramo inf) |
| D | 4 (sia dx che inf) |
| E | 7 (ramo inf) |
La stessa procedura dovrà essere poi eseguita per tutti i nodi rimanenti, minimizzando le distanze. A parità di distanza solitamente ci sono motivi differenti per cui si scegli un percorso piuttosto che un altro (es router più nuovi).
Data la rete mostrata di seguito, definire la routing table di R1. La route aggregation deve essere massimizzata. Gli indirizzi ip mostrati in figura sono relativi all’interfaccia del router più vicino.
Cominciamo scrivendo la routing table di R1:
| dest | next hop | Type |
|---|---|---|
130.192.2.36/30 (A) |
130.192.2.37 |
D |
130.192.2.0/30 (B) |
130.192.2.1 |
D |
130.192.2.40/30 (C) |
130.192.2.41 |
D |
130.192.1.126/30 (D) |
130.192.2.38 |
S |
130.192.0.0/24 (E) |
130.192.2.38 |
S |
130.192.1.128/25 (F) |
130.192.2.38 |
S |
130.192.2.32/30 (G) |
130.192.2.38 |
S |
D ed F possono essere accorpati con
130.192.1.0/24, che a sua volta può essere aggregato con e
ottenendo l’indirizzo 130.192.0.0/23 avendo il valore di
broadcast pari a 130.192.1.255, per includere anche
G è possibile usare 130.192.0.0/22.
Dobbiamo però stare attenti a controllare come questi si rapportano con
le entry statiche. In questo caso le include tutte, e non è un
problema.
Realizzare un piano di indirizzamento che minimizza il numero di indirizzi necessari.
Troviamo la routing table di R1, analizzando ogni nodo a partire dai collegamenti diretti:
Troviamo adesso quali sono gli indirizzi delle sottoreti, partendo da
quella di dimensione maggiore (B, in quanto /25).
130.192.0.0/25, con indirizzo di
broadcast 130.192.0.127 in quanto gli ultimi 7 bit sono a
1.130.192.0.128/26 con indirizzo di
broadcast 130.192.0.191130.192.0.192/27, con indirizzo di
broadcast 130.192.0.223130.192.0.224/28, con indirizzo di
broadcast 130.192.0.239130.192.0.240/30, con indirizzo di
broadcast 130.192.0.243130.192.0.244/30, con indirizzo di
broadcast 130.192.0.247E’ ora possibile calcolare gli indirizzi dei next hop, prendendo come riferimento il router più vicino:
| dest | Gateway | Type |
|---|---|---|
130.192.0.240/30 (C) |
130.192.0.241 |
D |
130.192.0.244/30 (D) |
130.192.0.245 |
D |
130.192.0.192/27 (A) |
130.192.0.242 |
S |
130.192.0.0/25 (B) |
130.192.0.242 |
S |
130.192.0.128/26 (E) |
130.192.0.246 |
S |
130.192.0.224/28 (F) |
130.192.0.246 |
S |
Di queste entry bisogna valutare se è possibile fare qualche
aggregazione. E’ possibile farlo con E ed
F in quanto: avendo /26 e 28,
possono essere racchiusi in un /25 (quindi \(2^7\)) con il medesimo indirizzo di
E (130.192.0.128/25 è valido perché 128 %
128 = 0). La soluzione risulta comunque inefficiente perché non abbiamo
ottenuto solo una entry.
Realizzare un piano di indirizzamento che minimizza il numero di indirizzi necessari. Utilizzare il risultato della routing table di R1.
Assumendo di avere interamente la cache libera, indicare il numero e il tipo di frames catturati da uno sniffer localizzato nella rete cablata dell’host A.
In una macchina Windows il ping viene eseguito 4 volte.
Bisogna innanzitutto verificare che le due macchine siano
effettivamente nella stessa rete, lo si fa vedendo se hanno la stessa
sottorete (in questo caso si, entrambi coerenti sulla
130.192.16.0/24).
Scriviamo ora la tabella:
| ID | MACS | MACD | IPS | IPD | DESCRIZIONE |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | MACA | broadcast | - | - | ARP Request |
| 2 | MACB | MACA | - | - | ARP Response |
| 3 | MACA | MACB | IPA | IPB | ICMP echo request |
| 4 | MACB | MACA | IPB | IPA | ICMP echo response |
Il passaggio 3 e 4 sono quelli eseguiti 4 volte.
Assuming that all caches are empty, indicate the number and the type of the frames captured by a sniffer located sulla rete dell’host A.
L’indirizzo IP del DNS è in realtà l’indirizzo di un host in quanto
l’indirizzo della sottorete, con prefix length pari a /23
abbiamo 130.192.16.0/23 (osservando il router). Il relativo
indirizzo di broadcast viene calcolato sapendo di avere gli ultimi 9 bit
a 1, quindi 130.192.17.255, quindi l’indirizzo fornito è
incluso.
La sottorete di A ha indirizzo della sottorete pari a
130.192.16.0, è errato il prefix length in quanto viene
indicato /24 invece di /23.
A quando comunica per parlare con il DNS, che è all’esterno della sua sottorete, parla con il suo default gateway.
| ID | MACS | MACD | IPS | IPD | DESCRIZIONE |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | MACA | broadcast | - | - | ARP Request |
| 2 | MACDG | MACA | - | - | ARP Response |
| 3 | MACA | MACDG | IPA | IPDNS | DNS request |
| 4 | MACDG | broadcast | - | - | ARP request |
| 5 | MACDNS | MACDG | - | - | ARP response |
| 6 | MACDG | MACDNS | IPA | IPDNS | DNS request |
| 7 | MACDNS | broadcast | - | - | ARP request |
| 8 | MACA | MACDNS | - | - | ARP response |
| 9 | MACDNS | MACA | IPDNS | IPA | DNS response |
| 10 | MACA | MACDG | IPA | IP google | ICMP echo request |
| 11 | MACDG | MACA | IP google | IPA | ICMP echo response |
Essendo uno shared bus tutti i pacchetti sono condivisi, solo che che chi non è interessato ai pacchetti che riceve li scarta. Nota: DG viene utilizzato per indicare default gateway; arp è di livello 2. Il traffico viene ottenuto prima che entri nel nodo A.
Il passaggio 10 e 11 sono quelli eseguiti 4 volte.
Il multicast è un concetto che sta nel mezzo tra una comunicazione unicast (1 a 1) e broadcast (1 a tutti). Una sorgente A manda i pacchetti ad alcuni host. Ci sono dunque dei gruppi a cui degli host possono entrare o uscire. E’ vantaggioso in quanto l’alternativa sarebbe mandare pacchetti uno ad uno in modo molto più lento. Nel multicast viene inviato un solo pacchetto, che viene poi instradato correttamente dal router ai destinatari utilizzando meno traffico (nel broadcast è sempre un pacchetto, ma viene poi mandato a tutti appesantendo). In IPv4 viene utilizzato poco perché si ha problemi con l’indirizzamento.
E’ ampiamente utilizzato in IPv6 ed è chiave per la comunicazioni tra gruppi (videoconferenze, video broadcast ecc).
A ogni gruppo multicast viene associato un indirizzo IPv4. Questo
indirizzo è un indirizzo di classe D, che è un indirizzo di broadcast.
Fanno parte del range 224.0.0.0 -
239.255.255.255 che sono riservati, ed è per questo
necessario acquistarne uno per utilizzarlo.
Il protocollo prevede che il livello 2 scarti i pacchetti che non
sono di interesse, ma comunque è possibile associare un indirizzo di
livello 2 al livello 3 in modo che possa essere scartato
successivamente. L’indirizzo MAC è formato da 48 bit, rappresentato in
forma compatta da gruppi di 8 bit ognuno dei quali rappresentato da 2
cifre esadecimali. La parte alta, solitamente riservata al produttore,
ha invece la costante 01-00-5E-0 che identifica la
mappatura per un totale di 25 bit (l’ultimo gruppo è solo un bit). La
mappatura è fatta non comprendendo tutti i casi ma cercando di ridurre
il numero di collisioni.
IPv6 nasce per soddisfare le esigenze di un maggior numero di indirizzi, superando i limiti di IPv4. La nuova versione del protocollo risulta sotto molti punti di vista superiore, anche se IPv4 è ancora in uso e non è ancora stato completamente sostituito e nel corso degli anni è stato ampiamente esteso e migliorato.
Altre motivazioni che hanno portato alla nascita di IPv6 sono:
Per riuscire a definire il protocollo IPv6 ha richiesto molto tempo e siamo attualmente in una fase di migrazione (richiedendo soluzioni temporanea applicate su IPv4).
Il protocollo IPv4 ha indirizzi di lunghezza 32 bit, con un totale di circa 4 miliardi di indirizzi. Nonostante ciò,, solo parte di questi indirizzi possono essere utilizzati a causa dell’utilizzo di classi, multicast, ecc. Inoltre, molti di questi sono utilizzati in modo gerarchico: il prefisso usato in una rete fisica non può essere usato in una differente. Infine, molti di questi indirizzi IP risultano non utilizzati, causando un grande spreco.
Alcune delle soluzioni utilizzate per risolvere questi problemi sono:
Gli indirizzi IP vengono assegnati da parte dell’organizzazione IANA,
che assegna a ciascun Regional Internet Registry (RIR) un blocco di
/8 indirizzi ip:
Successivamente, le RIR dividono i blocchi in blocchetti di dimensione minore da assegnare alle National Internet Registries (NIR) e alle Local Internet Registries (LIR).
Ogni singolo indirizzo IPv4 può essere in uno dei seguenti stati:
Ciò comporta dei problemi anche in termini di scalabilità, dovuti:
Sono state tentate alcune soluzioni, come:
/8)Ma nonostante ciò il problema persiste, in particolare la scalabilità dei protocolli di routing risulta attualmente non risolvibile.
E’ stato scelto, attraverso un approccio di tipo scientifico e con un focus sull’efficienza, l’utilizzo di indirizzi di lunghezza pari a 128 bit, con un totale di \(2^128\) indirizzi.
La notazione non è più puntata, ma bensì si è deciso di dividere in
gruppi di 2 byte (4 cifre esadecimali) separati dal
carattere :. E’ possibile utilizzare due regole per rendere
più compatto l’indirizzo:
0. Esempio: da
1080:0000:0000:0000:0007:200:A00C:3423:A089 a
1080:0:0:0:7:200:A00C:3423:A089.1080::7:200:A00C:3423:A089, ma è lectio solo una
volta. Questo perché non saprei quanti zeri inserire ciascuna
volta.Il routing IPv6 è stato pensato in modo da non modificare la struttura adoperata in IPv4, a eccezione della lunghezza degli indirizzi.
Per dividere la parte del prefisso di rete e la parte
dell’interfaccia si è deciso, per il momento, di applicare una
separazione a metà con un prefisso di rete pari ad n=64, ma
prevedendo che in futuro potremmo aver bisogno di un prefisso di rete
più lungo.
Il concetto di aggregazione rimane il medesimo, è infatti possibile
utilizzare il prefix length come già visto, ad esempio:
FEDC:0123:8700::100/40. Non è necessario l’utilizzo di
classi.
Nota: non sarà, per quanto detto precedentemente, superiore a 64.
I principi di assegnamento sono i medesimi dell’ IPv4, con alcune differenze in termini di terminologia:
Dividiamo le comunicazioni in:
A loro volta è possibile ulteriormente suddividere gli indirizzi di rete:
L’equivalente dell’indirizzo multicast IPv4 `224.0.0.0/4
è FF00::/8, che si suddivide in questo caso in:
FF00::/12,
comunicazioni di servizio assegnati a gruppi di dispositivi e sono
riservati. Un esempio è l’indirizzo di google.FF10::/12, indirizzi
transitori, assegnati dinamicamente da applicativi multicast
(corrispettivo della vecchia modalità multicast in IPv4).FF02:0:0:0:0:1:FF00::/104, simile a un indirizzo IP
broadcast in ARP.Una caratteristica importante è notare come in IPv6 scompaia l’utilizzo del broadcast, che in seguito alle evoluzioni ha dimostrato essere un rischio per la sicurezza.
L’indirizzo si scompone in:
In IPv6 continuano a essere disponibili gli indirizzi unicast, con i seguenti indirizzi:
2000::/3 Global UnicastFE80::/10, Link-Local::1/128, Loopback (in IPv4 era
0.0.0.0)::/128, UnspecifiedFC00::/7, Unique Local::80, Embedded IPv4Sono indirizzi di tipo aggregato, che andiamo a utilizzare in modo
equivalente agli indirizzi pubblico IPv4. E’ globalmente raggiungibile e
indirizzabile ed ha la caratteristica di essere plug and play.
Attualmente sono disponibili in un range definito tra
3FFF:: e 2000::. Questi indirizzi hanno i
primi 3 bit posti a 001.
I prefissi per il Global Routing sono formalmente assegnati da multi-level authorities:
001).i link local/site local sono un gruppo di indirizzi che iniziano con
FEBF, sono assegnati in automatico ai link quando viene
acceso un router.
Gli indirizzi Link local vengono assegnati quando più router devono parlare tra di loro oppure devono annunciarsi a un router vicino.
Gli indirizzi site local sono nella rete FEC0::/10, sono
ormai ritenuti deprecati perché pensati come vecchi indirizzi privati
riconfigurabili, possono avere assegnati i router nelle comunicazioni
(tipo stella e mesh ecc..). Utilizzano comunicazioni dirette e possono
essere assegnati sono a indirizzi di rete.
Gli Unique Local Addresses possono essere utilizzati in modo simile
agli indirizzi globali unicast, ma sono per un utilizzo privato e non
per l’indirizzamento sull’internet. Sono identificati da
FFC00::/7, e vengono utilizzati dai dispositivi che non
hanno mai necessità di connettersi all’internet e non hanno bisogno di
essere raggiungibili dall’esterno. Sono indirizzi privati che possono
comunicare su internet grazie ad operazioni di tunneling.
L’ottavo bit è il Local (L) Flag, che divide in:
FC00::/8, se L flag è 0, verrà assegnato
in futuroFD00::/8, se L flag è 1, l’indirizzo è
assegnato localmenteAttualmente gli indirizzi FD00::/8 sono gli unici
indirizzi validi. Sono dunque privati e non utilizzati da altri
dispositivi.
Dopo i primi 8 bit, sono presenti 40 bit generati casualmente in modo da non avere collisioni con altri indirizzi.
Gli IPv4 embedded addresses sono utilizzati per rappresentare
indirizzi IPv4 all’interno di un indirizzo IPv6. Vengono utilizzati per
facilitare la transizione tra i due protocolli. L’indirizzo IPv4 è
inserito negli ultimi 32 bit (low order) mentre i primi 80 devono
necessariamente essere pari a 0, a cui seguono 16 bit dal
valore di FFFF (16 1).
Gli indirizzi anycast possono essere assegnati a più di una interfaccia (tipicamente su dispositivi differenti), dando dunque la possibilità di avere su dispositivi differenti lo stesso indirizzo anycast. Un pacchetto che viene inviato a un indirizzo anycast viene reindirizzato all’interfaccia più vicina avente quel indirizzo. Questo permette di avere un indirizzo unico per un servizio, ma che può essere raggiunto da più dispositivi. Inizialmente venne realizzato per il DNS, ma è ancora in uno stato sperimentale.
Nota: molto utile, ma non è ancora utilizzato.
L’architettura del protocollo IPv6 è molto simile a quella di IPv4, ma presenta alcune differenze:
Attenzione: non è più possibile utilizzare ARP E IGMP per risolvere gli indirizzi IPv6.
Sono invece stati aggiornati senza modifiche essenziali:
L’header è stato modificato in modo sostanziale in seguito all’introduzione del IPv6. Ciò è stato fatto al fine di avere un header il più snello possibile, ottenendo una lunghezza di 40 byte.
L’header utilizzato in IPv6 è invece il seguente:
Osservando le immagini si può notare come alcune informazioni siano stati rimossi:
Nota: Il checksum su UDP diventa opzionale in IPv6.
L’header può essere ulteriormente esteso attraverso il campo next header, che consente di puntare a un altro header contenente ulteriori informazioni creando una catena di header. Funzionano in modo simile al campo “protocol” di IPv4.
Inoltre, sono presenti:
Nota: Header length non serve più! Viene eseguita la frammentazione attraverso il next header.
Il formato del campo next header è il seguente:
E’ utilizzato per andare a inserire dei campi/vincoli che servono all’hop per capire se il pacchetto deve essere scartato o meno (strumento di analisi). Se è presente, è indicato immediatamente dopo l’header IPv6. Questo header viene utilizzato per inserire dei campi opzionali. Ogni opzione ha un set di:
Si ottiene una tripletta TLV (type-length-value).
IL routing extension header permette alla sorgente di un pacchetto di specificare il percorso di destinazione, indicando uno o più router intermedi. Viene utilizzato per il supporto alla mobilità in IPv6.
Sono possibili altri due tipi di estensioni a seconda delle necessità.
Viene utilizzato per la frammentazione dei pacchetti ognuno dei quali ha un proprio header IPv6 e un frammento di extension header. Il ricevente del pacchetto deve riunire i frammenti in un unico pacchetto. A differenza di IPv4, il protocollo IPv6 non frammenta un pacchetto almeno che non sia la sorgente del pacchetto.
Viene utilizzato per la sicurezza, adoperato da IPsec e fornisce una suite di protocolli per l’invio in sicurezza dei pacchetti in una rete IP. Il Authentication Header (AH) è utilizzato per l’autenticità e la integrità dei pacchetti. Il Encapsulating Security Payload (ESP) è utilizzato per la cifratura, autenticazione e integrità dei pacchetti.
La prima cosa che risulta evidente appena vi si approccia è che lo stack iso/osi prevede un campo in cui viene specificato il contenuto del livello superiore. Questo approccio è detto dual stack: creando uno nuovo stack è possibile far funzionare sia i dispositivi in IPv4 chee in IPv6 (lo trattiamo come un nuovo protocollo), senza alterare il funzionamento in IPv4.
I pacchetti IPv6 sono incapsulati nel frame di livello 2, ad esempio
per ethernet il tipo è 86DD.
Un indirizzo di un pacchetto IPv6 viene associato a un MAC di destinazione attraverso:
La trasmissione Multicast si basa sul ethernet multicast, ma a differenza del ethernet broadcast, un ethernet multicast può essere filtrato dalla scheda di rete (NIC).
Gli indirizzi multicast IPv6 vengono mappati su indirizzi MAC, in
particolare è riservato l’indirizzo MAC Ethernet
33-33-xx-xx-xx-xx per il trasporto di pacchetti multicast
IPv6.
Un esempio può essere il seguente: quando viene inviato un pacchetto
all’indirizzo IP multicat FFOC::89:AABB:CCDD, questo viene
incapsulato in un MAC frame con indirizzo
33:33:AA:BB:CC:DD.
Nota: abbiamo FF all’inizio
dell’indirizzo proprio perchè è multicast.
ICMPv6 adesso sostituisce completamente il protocollo ARP. E’ basato su multicast e sfrutta il Solicicited-NOde MUlticast Address. A causa di come il multicast solicited address è realizzato, per lo più solo un nodo viene coinvolto.
Gli indirizzi vengono automaticamente creati per ogni indirizzo
unicast dell’interfaccia. Tutti gli host si iscrivono e vengono mappati
nel seguente modo:
FF:02::1:FF/104 | 24 ip meno significativi (per lo più un
host per gruppo).
La risoluzione di un indirizzo avviene attraverso ICMP Neighbor Solicitation: Il richiedente invia un frame al Solicited Node Multicast Address dell’indirizzo target IPv6.
:::tip Come ricordarlo: Il funzionamento è analogo al seguente: non lo chiedo a tutti, ma soltanto a chi mi potrebbe rispondere. :::
Avviene in seguito la risposta ICMP Neighbor Advertisement, attraverso la quale viene inviata la risposta indietro all’indirizzo unicast del richiedente. La mappatura tra IPv6 e MAC address viene memorizzata nella cache dell’host (in modo equivalente alla cache ARP).
Di fatto il numero di MAC aumenta molto, a causa della mancanza degli indirizzi broadcast. Per questo motivo è necessario che il router sia in grado di rispondere alle richieste di risoluzione indirizzo.
La transizione da IPv4 a IPv6 sta venendo in modo incrementale, non è stato stabilito un limite entro cui eseguire il passaggio ma bensì sarà stabilito automaticamente quando sarà, nel pratico, il più utilizzato. Questo approccio trasparente e graduale ha consentito che prima di far prendere piede IPv6 nel corso di molto tempo ma in modo seamless (ovvero senza cambiamenti). Inoltre, come già accennato, è possibile generare e ricevere pacchetti per entrambi i protocolli senza problemi grazie all’approccio dual stack.
Questo risultato viene ottenuto attraverso tre meccanismi:
Quando è nato IPv6 erano presenti poche reti dual stack, quindi era presente una parte di backbone su ipv4.
Nel corso del tempo le infrastrutture si sono adeguate al passaggio, aumentando il numero di host con comunicazioni onlink.
L’obbiettivo è quello di riuscire a creare una rete maggioritaria su IPv4 con solo poche connessioni IPv4. In realtà abbiamo già le infrastrutture per eseguire il passaggio completo.
ICMPv6 permette di eseguire operazioni di:
Inoltre, include alcune funzioni che in IPv4 erano delegate ad ARP (Address Resolution Protocol) e IGMP (Internet Group Membership Protocol).
Il messaggio è incapsulato nei pacchetti IPv6 con
next header = 58, che mi permette di identificare il nuovo
header di tipo ICPMv6, che avrà al più 576
byte.
| Code | Spiegazione | tipo |
|---|---|---|
| 1 | Destination Unreachable | Errore |
| 2 | Packet too big | Errore |
| 3 | Time exceeded | Errore |
| 4 | Parameter Problem | Errore |
| 128 | Echo Request | Informativo |
| 129 | Echo Reply | Informativo |
| 130 | Multicast Listener Query | Informativo |
| 131 | Multicast Listener Report | Informativo |
| 132 | Multicast Listener Done | Informativo |
| 133 | Router Solicitation | Informativo |
| 134 | Router Advertisement | Informativo |
| 135 | Neighbor Solicitation | Informativo |
| 136 | Neighbor Advertisement | Informativo |
| 137 | Redirect | Informativo |
Sono presenti dei flag aggiuntivi:
R router flag, se true
arriva da un router.S solicited flag, se arriva da un nodo
che ha fatto una richiesta di risoluzione.O override flag, se la host cache deve
essere aggiornata o meno.Nota: non è presente un campo MAC, in quanto può essere si da per scontato sia presente nelle opzioni. Viene invece specificato l’ip, anche se ridondante, in quanto potrebbe essere sia un nodo che un router.
La Multicast Listener Query è una domanda che il router manda ai suoi host per capire se sono interessati a far parte di un gruppo multicast, ponendosi in attesa di una risposta. La risposta con la quale un host comunica al router che è interessato a ricevere i pacchetti multicast è detto Multicast Listener Report.
type=130):
il router manda una query per capire se un host è interessato a ricevere
i pacchetti multicast.type=131):
il host risponde al router dicendo che è interessato a ricevere i
pacchetti multicast.type=132): il
router manda un messaggio di fine per dire che non è più interessato a
ricevere i pacchetti multicast.La done è importante, perchè se un host esce da un gruppo, il router deve essere informato. Potrebbe succedere che il messaggio non venga inviato. In questo caso il router prevede dei timer, se dopo un intervallo di tempo (maximum response delay) l’host non manda un messaggio di interesse verso un gruppo, allora il router non inoltrerà più i pacchetti multicast.
Adesso la gestione del multicast è viene rappresentato solo a livello 3 (quindi compito del router e non più anche dello switch).
Le informazioni necessarie per la configurazione di un dispositivo sono:
Molte di queste informazioni vengono recuperate automaticamente tramite in quanto lo scopo del IPv6 e di rendere gli host plug and play.
Le configurazioni possono essere:
L’identificatore dell’interfaccia (64 bit bassi) può essere ottenuto in più modi:
Ci sarà un ulteriore meccanismo che si assicura che l’indirizzo utilizzato sia unico all’interno della rete.
EUI-48 a EIU-64 (Extended Unique Identifier) estende l’indirizzo MAC
da 48 bit a 64 bit, aggiungendo i bit 11111110 (8 bit) e
10 (2 bit) in posizione 1 e 2.
Per convenzione, il settimo bit deve essere post a uno nel caso in
cui l’indirizzo mac sia stato manualmente configurato si dovrebbe
mettere il bit a 1.
Dal punto di vista della tracciabilità, i 64 bit meno significativi di un indirizzo IPv6 di un’interfaccia non cambiano mai quando viene utilizzato un MAC address.
Non viene più utilizzato MD5. Questo algoritmo garantisce la privacy al livello 3, non è possibile da questi 64 bit ricavare un indirizzo.
Un host pu avere più di un indirizzo IPv6, che possono essere default o privacy aware. Questi possono essere utilizzati per accettare o iniziare connessioni. Solo una un numero selezionato di indirizzi potrebbe essere disponibile per un user o una applicazione.
Il prefisso di un indirizzo può essere configurato manualmente, ottenuto tramite DHCPv6, generato automaticamente (link local) oppure ottenuto dal router.
Come faccio a capire quali sono i 64 bit alti che ha comprato il mio amministratore di rete? dal router. In particolare sono di nostro interesse il router prefix discovery, router solicitation e il router advertisement.
Attraverso la Router/Prefix Discovery è presente una sincronia: se l’host non ha chiesto un messsaggio potrebbe essere direttamente il router a mandare l’informazione tempestiva senza che venga richiesta solecitation.
La solicitation viene viene mandata a solamente i router, dunque non
all node ma bensì all routers.
Nel messaggio di advertisement ci sono dei parametri interessanti:
M flag (Managed addres Configuration): se è
settato a 1 significa che l’indirizzo è stato configurato
tramite DHCPv6O flag (other configuration): se è settato a
1 sono presenti altre configurazioni, ad esempio dns
server.reachable time: tempo in millisecondi che il router
impiega per raggiungere un host.retrans timer: ogni quanto ritenere valido questo
indirizzo in un intervallo di tempo.tra le opzion c’è il prefix information option che ha sempre
lifetime: tempo di vita dell’indirizzopreferred lifetime: periodo in cui non dovrei più
utilizzarloL, se lo utilizzo all’interno di un on-linkA, il prefisso può essere utilizzato per una
configurazione automaticaprefix: il prefissoUn’altre opzione è l’mtu.
Link layer address option: indirizzo MAC del mio default gateway. Se il default gateway invia il messaggio perché lo inserisco? per comodità dello stack iso/osi.
Il concetto di redirect viene utilizzato per informare, all’interno di una stessa sottorete, un host che, per raggiungere un determinato host, è più conveniente utilizzare un altro router. Se la comunicazione è a livello globale questo solitamente non avviene.
Il DAD è un meccanismo che permette di verificare che un indirizzo
sia unico all’interno della rete. Il meccanismo è molto semplice: l’host
manda un messaggio ICMPv6 a tutti gli host con destinazione
all nodes e con il payload che contiene l’indirizzo che si
vuole utilizzare. Se l’indirizzo è unico, nessuno lo conosce e quindi
non risponde (timeout, ad esempio un minuto). Se l’indirizzo è già
utilizzato, un host risponde con un messaggio ICMPv6 di tipo
DAD con il payload che contiene l’indirizzo che si vuole
utilizzare.
Una volta scoperta la parte alta:
Un altro vantaggio è quello del renumbering, che consente un funzionamento plug and play. Tramite l’advertisement vengono riconfigurati tutti i dispositivi in modo automatico. Rimangono in ascolto per il Router Advertisement e quando arriva un messaggio con un nuovo prefisso, cambiano indirizzo. Gli host possono essere riconfiugurati in qualsiasi momento. Si identificano così indirizzi “preferred” e “deprecated”. E’ possibile dunque cambiare ISP senza dover cambiare tutti gli indirizzi.
Un dispositivo può avere più interfaccie con il medesimo indirizzo,
per cui essendo generato a partire dal mac potrebbero avere lo stesso
indirizzo per cui un determinato pacchetto viene mandato su un
interfaccia piuttosto che un’altra in base allo scopo e al programma che
lo ha generato(concetto di scopo). UN indirizzo scoped è composto da un
indirizzo IPv6 seguito da % e un numero che identifica
l’interfaccia.
Ad esempio: FE80::0237:00FF:FE02:a7FD%19
Attenzione: il valore dello scopo è specifico per ogni implementazione.
Questo byte di scope non viene poi considerato perchè è interesse solo per il sistema operativo.
Per prima cosa distinguiamo il routing in due tipologie:
La creazione di tali tabelle possono essere di tipo manuale, dunque static routing, oppure mediante la distribuire delle informazioni all’interno della rete adoperando protocolli di routing.
Le routing table in IPv6 sono basate sul più lungo prefisso che fa match (come in IPv4). Nonostante alcune peculiarità, IPv4 e IPv6 si comportano come due protocolli indipendenti (con routing table separate).
I protocolli di routing possono essere:
Esempi di routing protocol:
La transizione tra IPv4 e IPv6, come già detto, è tutt’ora in corso e molto lenta. In prima battuta, quando la maggior parte delle connessioni erano su IPv4 si andava a utilizzare il tunneling di IPv6, il cui nome deriva dal fatto che IPv6 veniva inserito in un header IPv4 per compatibilità.
Alcuni protocolli che lo implementano:
Una soluzione potrebbe essere di realizzare un dual stack host, ovvero un host che supporta sia IPv4 che IPv6. In questo modo, il tunneling non è più necessario.
Per fare ciò, degli indirizzi IPv6 devono essere riservati per la
compatibilità con IPv4, in particolare quelli con il prefisso
::96, in modo da ignorare i bit più significativi e
renderlo retrocompatibile.
Le applicazioni mandano pacchetti IPv6 attraverso un indirizzo IPv6,
ad esempio 2.2.2.2 e vengono reindirizzati a
::96 attraverso una pseudo-interfaccia (che fa tunneling
automaticamente). La pseudo interfaccia dunque incapsula i pacchetti
ipv6 in pacchetti ipv4 e li invia.
Invece di usare il multicast, usiamo una soluzione che utilizzi un
prefisso di rete 0000:5EFE. - IPv4 network as Non-Broadcast
Multiple Access (NBMA) data link - No IP multicast support needed -
Interface ID derived from IPv4 address - Prefixed by 0000:5efe - E.g.,
fe80::5efe:0101:0101 for 1.1.1.1
Mi baso sul protocollo DNS, ma ha come limite che ogni indirizzo deve avere associato un hostname. Quindi la richiesta non parte dall’indirizzo di IPv6, ma dal hostname (potrebbe essere in alcuni casi un problema).
E’ diventato lo standard nel tempo.
Configuro intere reti IPv6 all’interno di una struttura ancora IPv4, rinunciando però in parte in quanto non è possibile utilizzare tutte le funzionalità di IPv6 e anche il range di indirizzi continua a essere ridotto.
Gli indirizzi dei relay sono embedded in un prefisso IPv6. Iniziano
con 2002, sono indirizzi pubblici (inizia con
2).
Not meant for IPv4 host to IPv6 host communication
6to4 Relay must be default gateway of 6to4 routers
soluzione centralizzata.
Soluzioni per grandi provider. Purtroppo ancora è necessario supporto, in quanto i server ipv4 devono poter comunicare con host ipv6 e host ipv4. Le soluzioni più utilizzate sono:
Tutte queste soluzioni si basano sul concetto di mapping di indirizzo IP, che è un concetto del NAT. Questo fa un mapping tra ipv4 e ipv4 e non è perciò un concetto nuovo. Quello che viene fatto è associare una porta a un indirizzo privato.
E’ possibile avere più livelli di NAT.
Avere più nat in cascata è abbastanza in comune.
Non dobbiamo dimenticare che nelle nostre soluzioni, anche se utilizziamo il nat, prevede comunque l’utilizzo di tunnel.
Abilita host ipv4 di comunicare con altri IPv4 attraverso una rete IPv6. Permette di connettere strutture ipv6 con una struttura nel mezzo ipv4. Ha due tipi di funzionalità:
La soluzione dual stack lite abbiamo gli internet service provider usano come parte di backbone (infrastruttura di rete) di tipo IPv6. Possiamo avere così solo parti ipv4 che ipv6 con le altri sottoreti o ipv4 o ipv6. Questa soluzione, rispetto a quelle già viste, sono molto articolate e consentono di coprire tutte le casistiche.
i problemi sono:
Il NAT è sotto il controllo dei customer. Il range di TCP/UDP è assegnato a ciascun customer (solo le porte sono utilizzate dal nat in uscita)
Concetto di spostare la complessità sulle foglie.
Approccio di tipo stateless; cerchiamo di sfruttare i vantaggi del dhcp e del dns anche all’interno del sistema. In particolare non vado ad associare dei range di porte ma bensì dei set: un set si differenzia dal fatto che ci sono più porte che non sono necessariamente contigue. Inoltre, il CPE utilizza la stessa rete pubblica IPv4, così non siamo limitati.
sostituisco header ipv6 con un header ipv4, bisogna fare attenzione a non perdere informazioni.
a ogni CPE viene assegnato un unico PSID (Port set Identifier) e un public ipv4 address; Il PSID è un numero che identifica un set di porte.
attenzione: non porre i primi a bit a zero perchè sennò diventa una well known port.
il CPE è associato a un unico valore del PSID. Queste informazioni viene messa nel Embedded address (EA).
Moreover, a PSID offset (value of a) is set for the whole MAP domain.
Prendo l’indirizzo IPV4 e lo vado a sostituire con un header IPv6.
NAT64 (outbound) - Translates IPv6 address and packet into IPv4 - Picks a free IPv4 address/port from its pool - Builds NAT session entry
Il vantaggio del map risiede nella possibilità di avere più cpe e maggiormente distribuite.Questa è dunque una forma semplificata, che può vedere il suo utilizzo su rete più piccole.
Le reti wireless sono reti che permettono la comunicazione tra dispositivi senza la necessità di un cavo fisico. Questo tipo di reti è molto comune nei nostri giorni, e sono presenti in molti dispositivi, come ad esempio i cellulari, i tablet, i computer portatili, i router, i dispositivi di rete, e molti altri. Un altro aspetto molto importante è la mobilità (che con il cavo non si poneva).
Una parte importante di ogni rete wireless è in realtà la sua componente wired, oltre al wireless link.
I link wireless comportano però alcuni svantaggi rispetto a un link cablato:
Con SNR si identifica il Signal to Noise Ratio, ovvero la relazione tra il segnale ricevuto e il rumore. Questo valore è molto importante per la qualità del segnale.
La modulazione è il processo attraverso cui viene inviato un bit. Vi sono varie tipologie come:
Un ulteriore problema che ritroviamo all’interno delle reti wireless
è inerente al problema del nodo (o terminale) nascosto: dati 3 nodi
a, b, c se b
comunica con entrambi i rimanenti, questi potrebbero però non essere a
conoscenza della reciproca presenza e generare interferenze.
Nel corso degli anni lo standard 802.11 si è evoluto dando origine a vari standard. Tutti quanti utilizzano il protocollo csma/ca.
Un BSS (Basic Service Set) contiene:
Ogni rete wifi lavora su un canale differente, è dunque in grado di gestire fino a 16 frequenze (di cui utilizza solo una) per la trasmissione dei dati. La configurazione può essere automatica o manuale.
Ogni host rimane in attesa di un beacon frame: un frame
particolare inviato dagli access point per effettuare la connessione. Il
dispositivo si connetterà al beacon frame più forte in modo da aumentare
la qualità della connessione. Per poter iniziare a dialogare con la rete
wifi sarà inoltre necessaria una autenticazione.
Esistono due tipologie di scanning eseguite da un host che si connette a una rete:
probe request dal
host, un probe response dagli APs, un
association request dall’host verso l’access point scelto e
un association response dal APs in questione.L’accesso multiplo su un canale wireless è un problema molto complesso, che prevede l’utilizzo di CSMA per l’eliminazione di collisioni tra due o più nodi che trasmettono contemporaneamente.
Mentre in ethernet viene utilizzato csma/cd (collision detection), in wireless viene utilizzato csma/ca (collision avoidance).
Il dispositivo che invia:
Il dispositivo che riceve:
Il collision avoidance mostrato sopra non è però deterministico, per riuscire ad ottenerlo è possibile utilizzare un sistema di “prenotazione” che riserva il canale per i data frame usando dei pacchetti di “prenotazione” (RTS/CTS) caratterizzati da trame piccole. Questi possono ancora collidere, ma sono molto più piccoli e quindi meno dannosi. RTS (ready to send) viene inviato dal dispositivo che vuole trasmettere, CTS (clear to send) viene inviato dal dispositivo che ha ricevuto il RTS verso tutti i dispositivi in ascolto in modo da far partire chi deve trasmettere e porre in attesa i rimanenti.
Il frame contiene:
Dentro frame control troviamo ulteriori campi, tra cui ad esempio:
Solitamente per le reti wirless l’host rimane all’interno della stessa subnet IP, motivo per cui è possibile riutilizzare lo stesso indirizzo.
nswitch: which AP is associated with H1? nself-learning; switch will see frame from H1 and “remember” which switch port can be used to reach H1 H1 BBS 2BBS 1 Wireless and Cellular Networks © see page 2 26
Dal punto di vista energetico, esiste il node-to-AP
attraverso il quale l’Access Point viene a conoscenza del fatto che non
deve inoltrare i frame al nodo, il quale si sveglierà prima del prossimo
beacon frame (contains list of mobiles with AP-to-mobile frames waiting
to be sent).
Le reti cellulari sono reti wireless che coprono aree geografiche
molto vaste attraverso la definizione di zone adiacenti denominate
celle. A differenza di altre reti, gli host si muovono anche attraverso
lunghe distanza e diventa importante non far disconnettere l’utente
attraverso la gestione della mobilità denominata
handover.
La copertura cellulare è garantita da reti isotopiche o con antenne direzionali da 120 gradi. L’emissione non è pero omni direzionale a causa della presenza di ostacoli (montagne, edifici), l’altezza, il guadagno dell’antenna, la morfologia del territorio, la potenza dell’antenna e infine le condizioni di propagazione (neve ecc).
Le celle si dividono in macrocelle e microcelle in base alle loro dimensioni. Le prime coprono un’area ragionevolmente estesa.
Abbiamo nuovamente un problema di accesso multiplo condiviso sul canale, risoolti attraverso varie tecniche:
Andremo quindi a riutilizzare le stesse frequenze in posti diversi in modo da non causare interferenze. Questo viene fatto a ccausa del numero ridotto di risorse, e allo scopo di coprire un’area più ampia e servire un alto numero di utenti.
Un gruppo di celle viene definito cluster, come nell’esempio in figura.
Le celle verdi, rosa e blu usano un set differente di canali. Le celle dello stesso colore sono chiamate “co-channel” cells.
Se io vario la dimensione delle celle R cambio la capacità, ovvero il numero di utenti che posso soddisfare. Il numero di celle G impatta invece sul costo, in quanto un numero maggiore di celle ha dei costi maggiori. Aumentando il cluster aumento la qualità, aumentando anche G aumento la qualità ma diminuisco la capacità. Non esiste una legge assoluta per definire il valore di R e di G, sono però presenti alcune tecniche per diminuire le interferenze ed aumentare la capacità come:
Utilizzare celle di dimensioni scelte in base alle necessità delle zone, e non quindi tutte uguali.
Utilizzo di antenne direzionali per avere celle con dimensioni e forme ad-hoc. E’ possibile utilizzare una copertura multi livello (umbrella coverage). Le microcelle seguono l’utente dove si muove.
Altri esempi sono possibile tenendo conto di strade oppure ferrovie, dove le celle cercano di seguire la forma della strada.
Metodo attraverso cui si gestiscono al meglio le capacità delle batterie a disposizione. Si cerca di ridurre l’utilizzo di potenza in base alle necessità. Per sapere la potenza necessaria da utilizzare si utilizzano strategie di due tipi:
Il sistema, non avendo a disposizione un feedback, analizza e misura la qualità del segnale ricevuto per decidere se aumentare o diminuire la potenza in trasmissione. Questo adattamento non è preciso e non è detto che ciòò che succede su una frequenza sia uguale a un’altra. Not very accurate as uplink and downlink transmissions typically occur on different channels.
L’allocazione dele frequenze possono avvenire nei seguenti modi:
Le reti sono costituite da mobile terminal che si connettono a dei BS (base station) radio che a loro volta si connettono a dei core network attraverso Switch Router (commutatori a pacchetto o circuito). I core network sono costituiti da un set di server che si occupano di gestire le connessioni e le risorse, in modo wired. Il database è molto importante ed è dove vengono memorizzate le informazioni degli utenti.
Permette a un terminale mobile di connettersi alla rete attraverso una registrazione che lo identifica e autentica. La procedura avviene peridiocamente ogni volta che si deve accedere al servizio.
Per gestire la mobilità sono necessarie più procedure legate alla gestione:
Il roaming è la capacità di un terminale di essere tracciabile quando si sposta nella rete. Il sistema deve memorizzare la posizione in un database e localizzare l’utente quando necessario. Per salvere tali informazioni, la rete viene divisa in location areas (LAs), gruppi di celle adiacenti. Ogni LA ha un identificativo univoco.
La procedura che avviene ogni volta che un utente si sposta verso un’altra location area. Periodicamente l’utente deve comunicare la sua posizione alla rete, in modo da essere tracciato. Questa procedura è necessaria per mantenere aggiornate le informazioni sul database.
Procedure through which the system notifies a mobile terminal about an incoming call/data delivery The system broadcasts a paging message within the LA where the user is
Procedure that enables the transfer of an active connection from one cell to another, while the mobile terminal moves over the network area Complex procedure that poses constraints on the network architecture, protocols and signaling
Nel corso degli ultimi anni la rete cellulare ha subito una serie di evoluzioni che hanno portato ad una maggiore capacità di trasmissione e ad una maggiore efficienza energetica.
La prima generazione GSM era di tipo analogico, con ampio utilizzo di FDMA e traffico esclusivamente voce. La qualità del segnale era bassa e l’efficienza nel riutilizzo della frequenza era basso.
La seconda generazione comporta il passaggio al digitale, con il vantaggi in termini di servizi (sms) crittografia e e voice coding avanzato per ridurre la banda necessaria. La seconda generazione estesa, 2.5G, caratterizzata da GPRS/EDGE in europa e IS-95B in USA, viene introdotto il servizio dati con packet switched, 170kb/s in GPRS e 384kb/s in EDGE. Si passa a tariffe basate sul traffico e non più sul tempo.
La terza generazione, 3G, ha comportato dei miglioramenti in termini di data service (multimedia service), l’introduzione di CDMA e l’avvento di UMTS e CDMA2000. Il rate dati ha raggiunto i 2Mb/s ed possibile l’handover tra reti differenti oltre alla exploit spatial diversity. La generazione 3.5G ha comportato una evoluzione di UMTS soprattutto sul livello fisico, con miglioramenti del trasferimento dati fino a 56Mb/s in download e 22Mb/s in upload.
La quarta generazione, conosciuta come LTE, ha raggiunto un rate di 250Mb/s. Utilizza MIMO (multiple input multiple output) che consentono performance di modulazione più elevate. Per la prima volta abbiamo una rete completamente IP con l’introduzione di VoLTE per consentire il passaggio della voce sulla rete dati.
La quinta generazione, il 5G, ha lo scopo di unificare le tecnologie di accesso wireless rimuovendo la differenza tra rete wireless e cellulare, attraverso mmWave che consentono trasmissioni ad alto throughput. Introduce il NFV (network function virtualization) che permette di virtualizzare le funzioni di rete, come il routing, il firewall, il load balancing, il caching, il DPI (deep packet inspection) e il DDoS (distributed denial of service) protection. Inoltre, anche il SDN (software defined networking) permette di virtualizzare il controllo della rete consentendo di utilizzare un hardware general purpose.
Rete con full rate di 13 kbit/s e half rate di 6.5Kbit/s. Consente l’invio di SMS e servizi supplementari come call forward, recall, e busy tone.
La Mobile Station (MS), ovvero il dispositivo, sono quelli in grado di connettersi alla rete GSM (come telefoni, antenne dei veicoli). Hanno differenti potenze di trasmissione all’antenaa:
La MS p però unicamente hardware, per connetteri alla rete è necessaria una SIM, ovvero una smart card con un processore e una memoria in grado di memorizzare, crittografato, le informazioni dell’utente come il numero di telefono, i servizi accessibili, parametri di sicurezza etc. MSI è l’identificativo univoche della SIM.
La Base Station Subsystem (BSS) comprende:
Il network and switching subsystem (NSS) ha il compito di gestire le chiamate, il service support, mobility support e autenticazione. E’ composto da:
{width=450px}
Le frequenze allocate sono 859, 900 1800, 1900 MHz. Le frequenze sono differenti in base alla ricezione e alla trasmissione e funzionano attraverso FDD (frequency division duplex) system.
I canali GSM sono composti da una frequenza e uno slot, che identificano un canale fisico. Le trasmissioni sono organizzate in burst (da non confondere con pacchetti), blocchi di dati trasmessi su canali fisici. Sono simili ai pacchetti, ma funzionano su switching a circuito. La velocità di trasmissione è di 272 kbit/s. I cnali possono essere acceduti con FDMA o TDM, e le frequenze sono divise in FDM channels, ciascuno largo 200kHz. Ognuno è diviso in TDM frames, che a loro volta sono divisi in 8 slot.
Lo slot time dura 0.577 ms, e ogni time slot porta 1 trasmission burst. Gli slot sono raggruppati in TDM frames, ciascuno di 8 slot.
Il GSM non prevede una trasmissione simultanea (non è dunque full duplex), per limitare costi abbiamo un unico transceiver per cui è possibile o solo trasmettere o solo ricevere. Ogni MT trasmette per un time slot un burst di dati e rimane silezioso per gli altri 7 slot. I frame su UL e DL sono sincronizzati in base ai time slot e shiftati di 3 slot.
I tempi di propagazioni però non sono nulli, per cui possono nascere problemi nella struttura di questi slot. I burst trasmessi da MT potrebbero arrivare al BTS quando lo slot è già finito. Inoltre è possibile ci siano collisioni. La soluzione è utilizzare la timing advance, ovvero la trasmissione del MT comincia prima del reale inizio del timeslot. a inizio e fine birst sono presenti dei “bit di guardia” che permettono di sincronizzare i burst.
La struttura di un burst è caratterizzato dai bit di guardia, il coded data, stealing bit viene utilizzato per comunicare all’utente informazioni importanti.
I canali fisici del GSM soon composti da 8 canali, con timeslots da 0 a 7, mentre i canali logici mantengono le informazioni e specificano “cosa” è trasmesso. Sono mappati nel livello fisico in accordo a determinati criteri. I canali logici si dividono in control channels che trasportano le informazioni di controllo, e traffic channels che trasportano le informazioni.
Una delle caratteristiche è l’utilizzo del FDMA che va a soppiantare il CDMA, che era stato pensato per gestire in efficienza il fading e sembrava una tecnologia migliore per il trasferimento dei dati. Il CDMA è però difficile da mantenere in termini tecnologici e i rapporti costi/benevici non era sufficientemente buono, per questo motivo per LTE è stato pensato FDMA, ovvero un FDM dove le frequenze portanti sono più vicine e ortogonali (posso sovrapporre lo spettro) in modo da non generale interferenze.
Abbiamo una diffusione dei MIMO e il livello fisico è statp migliorato per arrivare ad downlink di 300Mb/s e uplink da 50Mb/s.
Le frequenze utilizzate dipende dalla distanza:
Nella terminologia compaiono inoltre i termini:
La radio access network prende il nome di E-UTRAN, mentre il core network, che include tutti i dispositivi responsabili al trasporto da/a internet verso gli utenti, viene deniminato EPC.
Le BS vengono denominate eNodeB.
MME setup di un home tunnel da rete di casa a rete di un operatore, si occupa della mobilità. Attenzione: si riparla di pacchetti a differenza del gsm.
L’approccio utilizzato per EPC di tipo clean state design, di fatto ripensandolo completamente da zero. Utilizzo del packet switching transport per il traffico appartenente a tutte le classi QoS inclusi conversazione, streaming, tempo reale, non in tempo reale e in background.
Tutte le comunicazioni sono gestite attraverso dei “tunnel” denominati Bear. Tra il pwg e swg si crea un tunnel, e a sua volta dal svg e la base station si crea un altro tunnel, o ancora tra user agent e eNodeB. All’interno della rete i tunnel possono essere creati per soddisfare dei requisiti in termini di qualità del servizio. Possono essere creati dei bearer dedicati per dei servizi specifici. E’ presente un bearer default che stabilisce una connessione con il PGW quando UE è attivato. the UE can establish other dedicated bearers to other networks, based on quality-of-service (QoS) requirements.
Sono presenti in particolare tre differenti beares:
Principalmente sono dei eNodeB con un interfaccia X2 connetere eNodeB. Le funzioni principali sono di management delle risorsse audio come radio bearer control, radio mobility control, schedulinc ed allocazione dinamica delle risorse radio per uplink e downliik. Gestiscono la compressione (senza perdita) degli header, la sicurezza e la connettività verso EPC.
control plane è new protocols for mobility management , security, authentication (later)
Nel data plane abbiamo un estensivo uso dei tunnel che a livello datalink e fisico ha causato la creazione di nuovi protocolli per giustire gli accessi, oltre a nuovi standard di compressione per migliorare l’utilizzo del canale.
A livello 3 abbiamo IP, a livello data link abbiamo tre sottolivelli:
Il livello fisico è gestito attraverso OFDM (tante frequenze ortogonali che minimizzano l’interferenza tra i canali) e definisce degli slot TDM (non diversamente dalla gestione del canale link wireless su GSM).
Qui abbiamo tanto slot piccolini e la rete può assegnare più o meno slot in modo dinamico, in modo da adattarsi a quello che deve essere inviato in modo efficiente.
I bit trasmessi sono inseriti all’interno di un frame che ha una struttura suddivisa in modo predefinito denominata Physical channels. Ciascun channel ha informazioni specifiche relative a user data, tx/rx parameters, eNB identity, network control etc come il format del canale stesso. iascun canale fisico è mappato in una porzione del LTE subframe. I canali fisici sono divisi in downlink e uplink channels, ciascun u/d channel è ulteriormente diviso in data e control.
In uplink è possibile utilizzare gruppi di 3 TTIs per aumentare la performance e ridurrre l’overhead dei livelli superiori..
La tecnologia tunneling utilizzata per le reti cellulari si chiama GPRS Tunneling Protocol, ovvero tunnel realizzati su UDP.
Un nodo per associarsi a una base station deve eseguire vari step. Periodicamente la base station invia su tutte le frequenze un broadcast primary synch signal ogni 5ms. Il dispositivo troa il primary sync signal e a quel punto attende il second synch signal alla medesima frequenza. In questo modo si trovano le informazioni dalla base station come la bandwith del canale, la configurazion, cellular carrier info etc. Il dispositivo sceglie il BS a cui associarsi e inizia il processo di autenticazione e set up data plane.
I terminali possono andare in una delle due fasi di sleep, che consente un risparmio del consumo energetico. Le fasi di sleep sono:
L’obbiettivo del 5G è superare la differenza tra rete cellulare e wifi, e raggiungere un alta mobilità e connettere la società. Per riuscire a fornire i nuovi servizi saranno necessari, oltre al miglioramento della rete, di una integrazione di risorse di rete, di computing e storage. Per ottenere ciò è necessario dislocare le varie risorse e di “networks slices”, porzioni di risorse riservate a una certa comunicazione che consentano di emulare ciò che faceva il “circuito” ovvero qualità. Per fare ciò è richiesto l’utilizzo del SDN. Abbiamo bisogno di gestire tutte queste risorse e la relativa creazione in modo flessibile e dinamico, attraverso quello che è un “orchestratore di rete” denominato orchestrator function (o network).
Alcuni utilizzi potrebbero essere:
Le tecnologie che si usano, e che si useranno, saranno:
La Radio access Network è basata sui gNodeB, evoluzione dei eNodeB. E sono presenti gli Edge Network (MEC) che ha computing e storage elements per i servizi locali, mentre il Core Network include tutti i dispositivi responsabili per il trasporto dei dati da e verso internet attraverso i dispositivi utenti.
Abbiamo una distinzione netta tra il data plane e il control plane.
L’infrastruttura edge network fornisce servizi IT e cloud computing ai dispositivi mobili, in prossimità dei mobile subscribers. La standardizzazione è cominciata nel 2014 e pubblicata nel 2017. I benefi attesi sono:
Introduzione di un framework flessibile basato slot, che consenta l’utilizzo di un numero variabile di slot per subframe. La trasmissione può iniziare in un punto qualsiasi dello slot. Supporta lo slot aggregation per trassmissioni con dati molto pesanti. Different subcarrier spacing (“numerology”): shorter slots for higher spacing.
Nelle reti cellulari la mobilità è gestita chiedendo alla rete di riferimento dove l’utente si trovi (stesso approccio di trovare una persona di cui non si conosce la persona, come chiamare a casa per chiedere ai genitori dove sia). E’ presente una home network e una visited network dove faccio roaming. Quando accedo alla visiting network la nuova rete mi assegna un indirizzo (spesso privato). Devo dunque dialogare con mms di quella rete in modo che possa indicare al hss che mi trovo attualmente nella sua rete. Quando un utente si sposta devo gestire 4 fasi:
La configurazione della data plane tunnel per i dispositivi avviene:
L’handover attraverso le base station all’interno della stessa rete cellulare avviene in quattro step: